CN113066858A - 一种高性能BaSnO3基透明导电薄膜和薄膜晶体管及其制备技术 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高性能BaSnO3基透明导电薄膜和薄膜晶体管及其制备技术，属于新型显示材料技术领域，该技术采用阴极电弧法，以BaSnO3氧化物靶或BaSn合金靶进行制备；首先，本发明公开了制备高性能BaSnOx透明导电薄膜和薄膜晶体管有源层。其次，公开了在玻璃基底原位生长得到高电导率BaInSnOx透明导电薄膜或高迁移率BaInSnOx有源层；再用等离子体后处理或准分子激光退火薄膜；所得薄膜电导率将大于103S/cm，可以作为TFTs源/漏电极应用。最后还公开了以上述工艺制备得到BaInSnOx有源层，制备共面同质结底栅结构TFTs，激光退火制备底栅结构TFTs和自对准底栅结构TFTs的工艺，上述三种TFTs的场效应迁移率将大于10cm2/V.s，并具有优异的热稳定性，使得BaSnO3基薄膜可替代InGaZnO4薄膜，在TFTs和新型显示器中得到应用。
Description
技术领域
本发明涉及新型显示材料技术领域，特别涉及一种高性能BaSnO3基透明导电薄膜和薄膜晶体管及其制备技术。
背景技术
当前，以InGaZnO4氧化物半导体薄膜为有源层或源/漏电极的薄膜晶体管(ThinFilm-Transistors,TFTs)已在TFT-液晶显示器、TFT-有机发光二极管显示器等新型显示器中得到大量研究和应用。但是InGaZnO4中含有45％重量比的In2O3，众所周知，In在地表中属于稀有金属，价格昂贵。因此，降低氧化物靶材中的In含量且保持获得高性能的TFTs器件性能，一直是国内外研究者的目标。而且，至今InGaZnO4TFTs的稳定性仍然有待改进。最后，制备高电子迁移率有源层可获得高场效应迁移率和高开态电流TFTs，从而使有机发光二极管显示器或发光二极管显示器有更高的亮度，但InGaZnO4 TFTs的迁移率在这些新型显示器中应用还是有限。并且提高薄膜的电子迁移率可以提高其电导率。
由于BaSnO3具有很小的电子有效质量，BaSnO3基单晶或薄膜的霍尔迁移率比ZnO、In2O3、SnO2等传统氧化物半导体的单晶或薄膜的霍尔迁移率均要高，这有利于获得具有更高场效应迁移率的TFTs和具有更高电导率的薄膜。此外，和晶格氧有关的热稳定性，是氧化物薄膜最引人关注的物理性能，且已成为器件应用的瓶颈，由于这种不稳定性，很多电子氧化物经常会变得严重的性能退化，如TFTs在空气中的长期使用所产生的性能退化及沟道在光照下产生的持续电流。由于具有很低的氧化学扩散系数，BaSnO3基材料比ZnO、In2O3具有优异的热稳定性。Ba和Sn元素在地表的含量要远远高于In。以BaSnO3基钙钛矿氧化物半导体薄膜为有源层和源/漏电极的TFTs，已在国内外有较多的研究，但现有研究的BaSnO3基薄膜多为用脉冲激光沉积在钙钛矿基底的外延薄膜，尚不适合工业化应用，且在玻璃基底用磁控溅射制备的BaSnO3基薄膜存在沉积温度偏高、电导率偏低、尚未能成功制备开关性能良好的TFTs器件等问题。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种高性能BaSnO3基透明导电薄膜和薄膜晶体管及其制备技术，可以有效解决背景技术中提到的问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种高性能BaSnO3基透明导电薄膜和薄膜晶体管及其制备技术，该技术采用阴极电弧法，以BaSnO3氧化物靶或BaSn合金靶进行制备，具体方法主要包括以下步骤：
S1、高性能BaInSnOx透明导电薄膜的制备；
S2、高性能共面同质结底栅结构BaInSnOx TFTs的制备；
S3、将高性能底栅结构BaInSnOx TFTs的制备；
S4、高性能自对准底栅结构BaInSnOx TFTs的制备。
优选的，所述S1中采用阴极电弧法，以BaInSn合金靶单靶，在玻璃基底制备得到电导率大于103S/cm的透明导电薄膜，再用H2、Ar或He等离子体处理薄膜进一步提高电导率，获得的BaInSnOx透明导电薄膜能够作为共面同质结底栅结构或自对准结构TFTs的源/漏电极。
优选的，所述S2具体为：在玻璃基底，用溅射、光刻或湿法刻蚀工艺制备栅电极；再在其上用等离子体化学气相沉积制备SiO2绝缘层；再用S1中要求制备BaInSnOx有源层；再在有源层上半导体岛区域旋涂一层光刻胶作为掩模；再将掩模区域以外部分BaInSnOx薄膜，在反应离子刻蚀设备内，用H2或Ar或He等离子体处理BaInSnOx薄膜，或以准分子激光退火扫描，获得低阻BaInSnOx源/漏区；以丙酮清洗光刻胶，获得共面同质结底栅结构TFTs。
优选的，所述S3具体为：在玻璃基底，用溅射、光刻或湿法刻蚀工艺制备栅电极；再在其上用等离子体化学气相沉积制备SiO2绝缘层；再用S1中要求制备BaInSnOx有源层；再在其上用溅射、光刻或湿法刻蚀工艺制备源/漏电极；最后将裸露的沟道表面，用准分子激光退火扫描，使BaInSnOx的霍尔迁移率提高至合适值，完成TFTs制备。
优选的，所述S4具体为：在玻璃基底，用溅射、光刻或湿法刻蚀工艺制备栅电极；再在其上用等离子体化学气相沉积制备SiO2绝缘层；再用S1中要求制备BaInSnOx有源层；最后在玻璃基底背面，用准分子激光退火扫描，由于栅电极对激光的高反射率，激光未能退火栅电极遮挡部分的BaInSnOx有源区，以此区域为TFTs沟道；在栅电极未遮挡部分，由于玻璃基底、绝缘层对激光的高透过率，激光作用在BaInSnOx区域，使该区域BaInSnOx薄膜电导率提高，在最佳激光能量密度下，将BaInSnOx薄膜电导率提高至最大值，该区域形成BaInSnOx源/漏区；完成TFTs制备。
优选的，所述S1中还可以采用磁控溅射法；其中选取的靶材还可以选用BaInSnOx(0≤x≤4.5)混合氧化物靶材单靶，或用BaSnO3靶材和In2O3靶材两靶共沉积，或用掺10％重量比SnO2的In2O3(ITO)靶材和BaO靶材两靶共沉积，或用BaInOx(0≤x≤2.5)混合氧化物靶材和SnO2靶材两靶共沉积，或用BaO靶材、SnO2靶材和In2O3靶材三靶共沉积，或用BaO靶材、SnO2靶材和ITO靶材三靶共沉积；对于透明导电薄膜，还可以选择用准分子激光退火薄膜进一步提高电导率。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
解决了BaSnO3基薄膜面向工业化应用需要的制备技术和材料掺杂等问题；与现有InGaZnO4薄膜相比，BaSnO3基薄膜具有更高的霍尔迁移率，使BaSnO4基薄膜作为TFTs源/漏电极具有更高的电导率，从而降低源/漏电极的面电阻和提高TFTs开态电流。使BaSnO3基薄膜作为TFTs有源层，具有更高的场效应迁移率和开态电流。BaSnO3基薄膜作为TFTs源/漏电极和有源层，由于BaSnO3基薄膜比InGaZnO4薄膜具有更好的热稳定性，将使TFTs具有更好的稳定性。
附图说明
图1是本发明BaSnO3、In2O3两靶共沉积制备BaInSnOx薄膜示意图；
图2是本发明BaO、In2O3、SnO2三靶共沉积制备BaInSnOx薄膜示意图；
图3是本发明H2、He、Ar等离子体处理制备BaInSnOx透明导电薄膜示意图；
图4是本发明准分子激光退火制备BaInSnOx透明导电薄膜和高性能TFTs有源层示意图；
图5是本发明H2、He、Ar等离子体处理或准分子激光退火制备共面同质结BaInSnOxTFTs示意图；
图6是本发明准分子激光退火制备高性能BaInSnOx底栅结构TFTs示意图；
图7是本发明衬底背面准分子激光退火制备自对准BaInSnOx底栅结构TFTs示意图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
如图1和图2，本发明采用射频磁控溅射或阴极电弧法，以BaInSn合金靶单靶，或用BaInSnOx(0≤x≤4.5)混合氧化物靶材单靶，或用BaSnO3靶材和In2O3靶材两靶共沉积，或用掺10％重量比SnO2的In2O3(ITO)靶材和BaO靶材两靶共沉积，或用BaInOx(0≤x≤2.5)混合氧化物靶材和SnO2靶材两靶共沉积，或用BaO靶材、SnO2靶材和In2O3靶材三靶共沉积，或用BaO靶材、SnO2靶材和ITO靶材三靶共沉积，在玻璃基底来制备BaInSnOx薄膜，通过调节每个靶位的溅射功率来调节Ba、In、Sn三种元素在薄膜中的含量。因为用单独磁控溅射BaSnO3靶或用La掺杂BaLaSnOx靶在玻璃基底制备BaSnO3或BaLaSnOx薄膜，由于所制备的薄膜均为非晶或纳米晶态，薄膜的电导率和霍尔迁移率很低，很难作为透明导电薄膜和TFTs有源层应用。至今为止，国内外研究者，都用脉冲激光沉积或分子束外延在钙钛矿基底制备的外延BaSnO3或BaLaSnOx薄膜，所得薄膜有较高的电导率及TFTs有良好的开关性能，但这些制备工艺和当前工业化应用的透明导电薄膜和氧化物半导体TFTs的制备工艺不兼容。因此，本发明通过两靶或三靶共溅射，在BaSnO3薄膜中精确掺入In元素，In3+离子半径为
Ba2+离子半径为
Sn4+离子半径为
In3+可能替代Ba2+，Sn4+也有可能替代In3+，两者均为n型施主掺杂，提供电子，增加薄膜中的电子浓度。此外在BaSnO3薄膜中单独引入In2O3，由于In2O3薄膜比BaSnO3、ZnO、SnO2薄膜均具有较高的霍尔迁移率，即使没有上述掺杂效应，仍可使BaInSnOx薄膜有较高的霍尔迁移率和电导率及获得良好开关性能的TFTs。已有研究者通过反应共溅射BaSnO3和ZnSnO3靶在玻璃基底制备了BaZnSnOx混合物薄膜及以此为沟道的TFTs，获得了场效应迁移率大于20cm2/V.s和极佳负偏置光照稳定性(ΔVth<0.9V)的TFTs，但ZnO的引入，只是利用了ZnO薄膜的较高霍尔迁移率，Zn在BaZnSnOx薄膜中并没有引入施主掺杂,因此对提高薄膜的电导率和TFTs性能还是有限。在图2中，通过BaO、SnO2和In2O3三靶共溅射，将可能引入InBa、SnIn等n型施主掺杂以及利用SnO2和In2O3薄膜比BaSnO3和ZnO薄膜均具有较高霍尔迁移率的优点，通过溅射将在玻璃基底获得具有较高电导率的BaInSnOx薄膜和以BaInSnOx为沟道的更高场效应迁移率的TFTs，并保证TFTs有良好的稳定性。
如图3所示，用H2、Ar或He等离子体处理BaInSnOx薄膜，利用H施主掺杂和等离子体处理产生的氧空位施主掺杂，能显著提高薄膜的载流子浓度和电导率，以此制备得到BaInSnOx透明导电薄膜，来制备共面同质结底栅结构TFTs，由于消除了源/漏电极和沟道之间的接触电阻，而获得了良好开关性能的TFTs。TFTs的制备工艺见图5所示。
如图4所示，准分子激光退火BaInSnOx薄膜，由于薄膜吸收激光产生热效应，使薄膜内温度在极短时间内激剧升高，使薄膜结晶，并产生氧空位施主杂质，使薄膜载流子浓度提高，薄膜霍尔迁移率先随载流子浓度增加而增加，在一定激光能量密度下，由于薄膜结晶，而使霍尔迁移率降低。由于上诉原因，薄膜电导率随激光能量密度提高至一饱和值，由此可将BaInSnOx薄膜作为TFTs的源/漏电极，制备共面同质结TFTs，制备工艺见图5所示。
同时，在合适的激光能量密度下，由于薄膜霍尔迁移率提高，可使以激光退火后BaInSnOx薄膜为沟道的TFTs的开态电流提高1～2个数量级。因此，我们同样利用准分子激光退火BaInSnOx有源层，进一步提高其霍尔迁移率，而提高TFTs的开态电流，TFTs的制备工艺见图6。如图7，同样在玻璃基底背面利用准分子激光退火，以栅极为挡光层，使TFTs沟道部分未受激光作用，而由于玻璃基底、绝缘层对激光的高透过率，激光作用在BaInSnOx沟道区以外部分，使BaInSnOx薄膜电导率进一步提高，作为TFTs的源/漏区，以此制备自对准结构TFTs，由于不存在源/漏区和栅极的交叠，而消除了由此产生的寄生电容，这有利于获得高速驱动和减小像素尺寸，并消除了由于每个像素寄生电容的变化而导致的有机发光二极管显示器亮度的变化。并且在该TFTs结构中，将使TFTs沟道长度减小，由此将获得高开态电流、高速驱动和高分辨率。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。
Claims (6)
1.一种高性能BaSnO3基透明导电薄膜和薄膜晶体管及其制备技术，其特征在于：该技术采用阴极电弧法，以BaSnO3氧化物靶或BaSn合金靶进行制备，具体方法主要包括以下步骤：
S1、高性能BaInSnOx透明导电薄膜的制备；
S2、高性能共面同质结底栅结构BaInSnOx TFTs的制备；
S3、将高性能底栅结构BaInSnOx TFTs的制备；
S4、高性能自对准底栅结构BaInSnOx TFTs的制备。
2.根据权利要求1所述的一种高性能BaSnO3基透明导电薄膜和薄膜晶体管及其制备技术，其特征在于：所述S1中采用阴极电弧法，以BaInSn合金靶单靶，在玻璃基底制备得到电导率大于103S/cm的透明导电薄膜，再用H2、Ar或He等离子体处理薄膜进一步提高电导率，获得的BaInSnOx透明导电薄膜能够作为共面同质结底栅结构或自对准结构TFTs的源/漏电极。
3.根据权利要求1所述的一种高性能BaSnO3基透明导电薄膜和薄膜晶体管及其制备技术，其特征在于：所述S2具体为：在玻璃基底，用溅射、光刻或湿法刻蚀工艺制备栅电极；再在其上用等离子体化学气相沉积制备SiO2绝缘层；再用S1中要求制备BaInSnOx有源层；再在有源层上半导体岛区域旋涂一层光刻胶作为掩模；再将掩模区域以外部分BaInSnOx薄膜，在反应离子刻蚀设备内，用H2或Ar或He等离子体处理BaInSnOx薄膜，或以准分子激光退火扫描，获得低阻BaInSnOx源/漏区；以丙酮清洗光刻胶，获得共面同质结底栅结构TFTs。
4.根据权利要求1所述的一种高性能BaSnO3基透明导电薄膜和薄膜晶体管及其制备技术，其特征在于：所述S3具体为：在玻璃基底，用溅射、光刻或湿法刻蚀工艺制备栅电极；再在其上用等离子体化学气相沉积制备SiO2绝缘层；再用S1中要求制备BaInSnOx有源层；再在其上用溅射、光刻或湿法刻蚀工艺制备源/漏电极；最后将裸露的沟道表面，用准分子激光退火扫描，使BaInSnOx的霍尔迁移率提高至合适值，完成TFTs制备。
5.根据权利要求1所述的一种高性能BaSnO3基透明导电薄膜和薄膜晶体管及其制备技术，其特征在于：所述S4具体为：在玻璃基底，用溅射、光刻或湿法刻蚀工艺制备栅电极；再在其上用等离子体化学气相沉积制备SiO2绝缘层；再用S1中要求制备BaInSnOx有源层；最后在玻璃基底背面，用准分子激光退火扫描，由于栅电极对激光的高反射率，激光未能退火栅电极遮挡部分的BaInSnOx有源区，以此区域为TFTs沟道；在栅电极未遮挡部分，由于玻璃基底、绝缘层对激光的高透过率，激光作用在BaInSnOx区域，使该区域BaInSnOx薄膜电导率提高，在最佳激光能量密度下，将BaInSnOx薄膜电导率提高至最大值，该区域形成BaInSnOx源/漏区；完成TFTs制备。
6.根据权利要求2所述的一种高性能BaSnO3基透明导电薄膜和薄膜晶体管及其制备技术，其特征在于：所述S1中还可以采用磁控溅射法；其中选取的靶材还可以选用BaInSnOx(0≤x≤4.5)混合氧化物靶材单靶，或用BaSnO3靶材和In2O3靶材两靶共沉积，或用掺10％重量比SnO2的In2O3(ITO)靶材和BaO靶材两靶共沉积，或用BaInOx(0≤x≤2.5)混合氧化物靶材和SnO2靶材两靶共沉积，或用BaO靶材、SnO2靶材和In2O3靶材三靶共沉积，或用BaO靶材、SnO2靶材和ITO靶材三靶共沉积；对于透明导电薄膜，还可以选择用准分子激光退火薄膜进一步提高电导率。
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